0引言

 

　　寬帶網絡是國家最重要的基礎設施之一，我國非常重視寬帶網絡的建設。近期國務院通過《關于大力推進信息化發(fā)展和切實保障信息安全的若干意見》，明確提出實施"寬帶中國"工程。工信部和科技部也分別發(fā)文明確了建設國家寬帶網絡的指導思想和發(fā)展原則。以上文件也明確了具體的寬帶發(fā)展目標：到2015年要實現(xiàn)寬帶接入用戶2.5億戶，在寬帶接人能力上，城市家庭平均達到20M以上，農村平均達到4兆以上，部分發(fā)達城市達到100M。"十二五"規(guī)劃明確指出："十二五"期間，我國寬帶網絡基礎設施建設將累計投資1.6萬億元，其中，寬帶接入網投資5700億元。飛速發(fā)展的業(yè)務需求也對寬帶戰(zhàn)略的實施提出了諸多挑戰(zhàn)：從帶寬需求上看。高清IHV、視頻分享、云存儲/云計算、社交網絡、P2P等業(yè)務，都在不斷地推高帶寬需求，并對上下行帶寬的對稱性提出了很高的要求。著名咨詢公司McKinsey預測，隨著業(yè)務發(fā)展，至2015年。用戶帶寬需求將增長至250M。基于現(xiàn)有E/GPON技術均難以滿足帶寬不斷增長的需求。隨著用戶帶寬的不斷增長，寬帶業(yè)務增量不增收正成為眾多運營商面臨的最大難題。運營商雖然不斷通過各種新技術提升用戶帶寬，但業(yè)務收入的增速卻遠遠低于寬帶速率的增速，用戶ARPU值呈逐年下降趨勢。如何更加經濟有效地實現(xiàn)帶寬的提升，對于運營商具有舉足輕重的價值。以更好的經濟性實現(xiàn)用戶帶寬的數(shù)量級增長、確保用戶業(yè)務具有更高的可靠性，是市場對下一代光接人技術提出的關鍵需求。在下一代光接入技術上，近中期的10G-PON和中遠期的后10G-PON是近年來業(yè)界研究和推進的重點。

 

　　1 下一代光接入技術分析

　　1.1 10G PON技術簡述

 

　　在近中期的10G-PON技術中，主要有10G-E，PON和10G-GPON兩種技術方向，它們良好匹配了FTTB/C模式每用戶50～100M帶寬需求，并滿足了FTTH模式下100～300M的帶寬發(fā)展需求。

 

　　10G-EPON技術是業(yè)界最具有代表性與廣泛應用前景的下一代光接人技術，10G-EPON建立在廣泛應用的以太網技術基礎之上，具有兩大核心特點：一是擴大802.3ah EPON標準的上下行帶寬，達到上下行10Gb/s速率；二是平滑演進，10G-EPON的ONU可以與1G-EPON的ONU兼容共存在一個ODN下，實現(xiàn)網絡平滑演進，有效保護運營商投資。IEEE 802.3委員會于2009年發(fā)布了10G-EPON標準。10G-E-PON ASIC芯片于2010年7月誕生。現(xiàn)已有高通、Broadcom、PMC-Sierr和Cortina等多家供應商可以提供10G-EPON OLT/ONU的ASIC芯片；索爾斯、海信、新飛通等多家10G-EPON光模塊已經可以批量供貨。運營商也完成了多輪芯片級和設備級互通測試。據(jù)報道，在江蘇南京。采用全ASIC化的10G-EPON系列產品，單局點達到數(shù)萬線規(guī)模的商用網絡已經穩(wěn)定運行一年以上。因此，10G-EPON產業(yè)鏈已經全面成熟，滿足規(guī)模商用的要求。

 

　　10G-EPON之后的可能演進方向，一是在40G、100G以太網的IEEE 802.3ba標準的基礎上，引入低成本的新型調制技術；二是引入多波長技術，例如基于多波長10G-EPON的TWDM-PON，通過光層與電層的結合實現(xiàn)帶寬匯聚；三是采用純WDM-PON。以上幾種技術方案都可以支持40～100G的帶寬能力，目前在業(yè)界處于論證階段。

 

　　FSAN/ITU-T定義的10G-GPON(XG-PONl)的上下行速率為2，5/10Gb/s，上下行對稱帶寬(XG-PON2)m的標準研發(fā)尚在討論中。XG-PONl標準于2010年10月發(fā)布，標準化工作較大程度地繼承了GPON標準，并進行了改進和擴展，可以與GPON通過WDM進行共存。由于芯片廠商最早的XG-PONl的ASIC芯片預計于2013年下半年誕生，故XG-PONl的預期商用化與產業(yè)成熟時間在2014年左右。目前國內和國際一些運營商針對基于FPGA的原型樣機已開展了一些測試驗證工作，例如中國電信、法國電信、美國Veilzon、英國電信等。10G-GPON的下一步演進目標是40Gb/s或以上的匯聚帶寬的TWDM-PON，目前FSAN組織正在進行NG-PON2的標準制定。

 

　　XG-PONl與10G-EPON在標準制定時采用了同樣的波長定義，其主要目的是提升應用規(guī)模，共享產業(yè)鏈，降低成本。在后10G-PON發(fā)展階段，特別是引人多波長技術以后，ITU-T和IEEE兩大標準組織很有可能會在體系架構、技術指標定義等方面進行協(xié)同。

 

　　1.2 后10G PON技術簡述

 

　　國內外研究機構、運營商和設備商都在積極探索、研究后10G-PON時代的可能技術方案，目前主流的研究方向有TWDM-PON、WDM-PON和OFDM一PON等。CDM-PON、對等結構PON、40/100Gb/s相干PON等技術也在積極研究中。

 

　　2010年，沃達豐等多個運營商和設備商成立了0pen Lamda研究組織，主要致力于研究利用波分技術實現(xiàn)一種開放的網絡架構，以及實現(xiàn)這種網絡架構的各種新興技術，實現(xiàn)波長、業(yè)務、網絡動態(tài)調度。歐盟資助的SARDANA(Scalable Advanced Ring-based passive Dense Access Network Architecture)科研項目，主要研究全光的城域接入融合的WDM/TDM PON。歐盟的Accordance OFDM-PON項目，重點對基于OFDM技術的光纖、銅線以及無線混合組網的下一代接入網系統(tǒng)進行研究。我國863計劃三網融合重大項目中，也設立了TⅣDM-PON、OFDM-PON等關鍵技術和示范應用研究。

 

　　FSAN標準組織在2011年啟動NGPON2的標準研發(fā)。對NGPON2的需求。架構以及可能的技術方案進行了系統(tǒng)討論。NGPON2的關鍵需求主要為40G下行和10G上行，實現(xiàn)20km傳輸距離和1：64分光：ONU需要支持1G業(yè)務。經過充分論證。在綜合考慮需求符合度、技術成熟度、成本和功耗等各項因素后，在眾多候選技術中FSAN組織選擇了TWDM-PON作為主要技術方案，在移動回傳和商業(yè)客戶中可選擇點對點的WDM overlay技術。

 

　　下面分別對后10G-PON時代的主要技術方向TWDM-PON、WDM-PON和OFDM-PON技術原理加以論述。

 

　　1.2.1 TWDM-PON技術

 

　　TWDM-PON系統(tǒng)工作原理如圖1所示。其原理是利用波分復用將4個(或以上)10G-PON堆疊而成。系統(tǒng)總帶寬可達下行40Gb/s、上行10/40Gb/s。OLT復用解復用不同的波長，ONU同一時刻只能接收、發(fā)射一個波長。ONU一般使用可調收發(fā)技術，光收發(fā)機可調諧至4對上下行波長中的任意一對。在一個波長通道內，TWDM-PON可重用10G-PON下行時分復用技術、上行時分多址接入技術、時隙大小、廣播及帶寬分配等技術。其主要優(yōu)點是與現(xiàn)有10G-PON的技術繼承性好，復用效率與帶寬利用率高。

 

　　TWDM-PON波長規(guī)劃是需要解決的關鍵問題，涉及到技術優(yōu)劣勢、產業(yè)支撐度以及標準組織成員單位的利益問題，經過對產業(yè)鏈器件成熟度，和原有XPON、XGPON、RF系統(tǒng)共存的綜合評估。采用C波段+L波段或采用C波段2種方案受到較多運營商支持。

 

　　對于TWDM-PON，為了實現(xiàn)無色ONU，ONU采用可調收發(fā)技術。目前可調收發(fā)技術已經普遍應用于骨干傳輸網，但這些技術都不適合用于TWDM-PON。傳輸網可調發(fā)射機和可調濾波器可以在整個C波段或L波段范圍進行調節(jié)，支持80波以上調諧。而TWDM-PON一般只需要幾個納米調諧范圍，支持4～8波長。而且傳輸網器件成本昂貴，難以在接入網用戶側大量使用。開發(fā)適合TWDM-PON ONU應用，其成本可與10G-PON ONU模塊基本相當?shù)目烧{收發(fā)技術是關鍵技術難點。目前可選的可調收發(fā)技術主要是DFB熱調和FP腔熱調等，但是對于接入網來說成本仍然偏高。

 

　　另一個需要重點研究的問題是波長調諧控制協(xié)議。為了重用ODN，每個ONU需要選出自己所屬波長的信號。因此。需要研究一種安全高效的波長控制協(xié)議，使得ONU能夠快速地接人。此外，多個10G-PON堆疊后，如何協(xié)調多個波長之間的資源使其負載均衡、保證生存性等也是重要研究內容。

 

　　中興通訊在2012年歐洲寬帶論壇(BBWF)期間。發(fā)布了業(yè)界第一套符合最新標準方向的聊DM-PON樣機，在同一平臺與ODN中展示了NG-PON2、XG-PONl和GPON、WDM-P2P多種接入技術共存與演進。

 

　　1.2.2 WDM-PON技術

 

　　WDM-PON工作原理如圖2所示，WDM-PON是采用波分復用技術的、點對點的無源光網絡，每個ONU獨享一個或多個波長。WDM-PON系統(tǒng)一般包含三部分：OLT、RN和ONU。OLT包含多個波長通道光收發(fā)器，每個收發(fā)器件獨立地發(fā)送或接收用戶信號，OLT也可以使用收發(fā)陣列以提高端口密度降低功耗;RN一般采用AWG等波分復用器將不同的波長分到相應的端口：ONU支持無色，即每個ONU發(fā)射機能夠發(fā)送不同波長的信號。

 

　　WDM-PON的關鍵技術難題在于如何實現(xiàn)低成本無色。實現(xiàn)無色功能主要有三種方式：注入鎖定FP激光器(IL FP)、反射半導體光放大器(RSOA)和可調激光器。無色技術中。IL FP與RSOA較有希望實現(xiàn)低成本，但所需種子光源成本很高，系統(tǒng)功率預算較小。波長重用型或自注入型雖然不用種子光源，但系統(tǒng)的功率預算會進一步降低，應用范圍受限。可調激光器技術性能指標最好，但實現(xiàn)低成本寬范圍調諧技術難度比較大。業(yè)界目前研究比較熱門的是低成本可調發(fā)射技術，可調發(fā)射機中沒有傳統(tǒng)可調激光器的制冷器和波長鎖定器。波長監(jiān)控置于OLT端。由所有ONU共享。OLT集中監(jiān)控各通道波長，將波長偏移信息反饋給各ONU，用于各ONU波長校準。目前該方案距形成成熟產品還需時日。

 

　　一般WDM-PON波長通道間隔為100GHz或50GHz。波長通道間隔減小到幾吉比特赫茲的WDM-PON稱為超密集WDM-PON，超密集WDM-PON采用相干接收。由于相干接收機本振放大作用而產生的高接收靈敏度，超密集WDM-PON系統(tǒng)功率預算大大提高。適合于長距離廣覆蓋的大用戶接人。由于需要使用相干接收機、高精度窄線寬可調光源，ONU成本十分昂貴等問題難以解決。

 

　　另外WDM-PON面向實際應用還有一些問題需要解決，如高端口密度、靈活支持多級分光、有效支持廣播業(yè)務和支持光鏈路診斷等。

 

　　1.2.3 OFDM-PON技術

 

　　將正交頻分復用(OFDM)技術引人PON是近期研究熱點。OFDM是一種多載波傳輸技術，將高速串行的比特信息動態(tài)地分配到各個頻譜相互重疊正交的子載波上，有效地提升系統(tǒng)的頻譜效率。子載波可采用MPSK、M-QAM等高階調制以降低系統(tǒng)關鍵器件帶寬要求。循環(huán)前綴有效克服了傳輸鏈路色散帶來的碼間干擾(ISI)。OFDM調制解調通過DSP實現(xiàn)IDFT和DFT。再通過數(shù)/模、模/數(shù)轉換實現(xiàn)數(shù)字域和模擬域之間的轉換，具有可重配置以及便于運用高效信號數(shù)字處理算法的優(yōu)勢。OFDM技術一方面可以作為調制技術提高信道的頻譜利用率和信道容量，有效對抗多徑和色散效應。另一方面可以利用子載波實現(xiàn)OFDMA多址接入，從而實現(xiàn)靈活的多用戶和多業(yè)務的帶寬分配。不同的子載波既可以分配給不同的用戶，也可以分配給不同的業(yè)務種類。但是。基于OFDM技術的40G/100G無源光網絡OFDM-PON需要攻克以下關鍵技術難題：如何低成本實現(xiàn)物理層功能和多址接人及動態(tài)帶寬分配等。

 

　　2 下一代光接入技術發(fā)展契合寬帶中國戰(zhàn)略實施

 

　　綜上所述，當前采用EPON/GPON與lOG-EPON 和10G-GPON技術，分別在FTTP/FTTH及FTTB/FTTD等應用場景，每用戶平均帶寬達到了50～300M。可以滿足當前及今后5～10年的業(yè)務要求。根據(jù)網絡的發(fā)展需要，已建的10G-EPON、10G-GPON與光纖網絡基礎設施無需變化，通過按需疊加新波長的10G-EPON、10G-GPON，網絡可逐步演進到后10G PON；也可以通過WDM-P2P擴展基站承載(Backhaul/fronthaul)、企業(yè)接人業(yè)務等實現(xiàn)全業(yè)務融合接入。該建設模式，可以幫助運營商顯著降低建設投入與運營能耗。實現(xiàn)網絡的按需部署與平滑演進。

 

 

　　圖3概括了光接人技術的演進發(fā)展趨勢。由圖3可見，光接入技術主要經歷了TDM技術和TDM+WDM技術，遠期可能演進到TDM+WDM+OFDM技術。目前，已經大規(guī)模商用的EPON/GPON技術，上行提供1G帶寬。下行提供1G/2，5G帶寬，在丌1I'H應用模式下，采用1：16～1：32分光，可以為用戶提供20～50M帶寬，滿足2015年前的寬帶中國戰(zhàn)略近期帶寬需求。以10G-EPON和10G GPON為代表的10G PON技術上行可以達到10G/2，5G帶寬，下行可以達到10G帶寬，在FITIH/FTFB應用場景下可以為用戶提供100～00M帶寬，滿足寬帶中國戰(zhàn)略2020年前中期帶寬需求。而以TWDM-PON為代表的后10G PON技術可以提供40G以上的帶寬，可以為最終用戶提供500～1000M的帶寬，可以滿足2020年后寬帶中國戰(zhàn)略長期發(fā)展需求。

 

　　3 結束語

 

　　寬帶中國戰(zhàn)略即將推出，加快寬帶網絡技術創(chuàng)新和產業(yè)發(fā)展，對于支撐我國寬帶網絡基礎設施建設、提升我國信息化應用水平、加快轉變經濟發(fā)展方式和保持經濟乎穩(wěn)較快發(fā)展具有十分重要的意義。10G-EPON的技術與產業(yè)已經成熟，已開始進入規(guī)模商用：10G-GPON產業(yè)鏈正在發(fā)展中，預計2014年左右走向商用。后10G-PON技術正在進行標準化工作。主要研究熱點是TWDM-PON等技術。受標準化進程、技術難點突破、成本高等因素影響，后10G-PON的技術方走向成熟尚需較長時日。目前已經規(guī)模商用EPON/GPON技術，以及開始進行規(guī)模商用的10G-EPON技術和后10GPON技術可以滿足寬帶中國戰(zhàn)略近期中期和遠期發(fā)展需求。下一代光接人技術將助力寬帶中國戰(zhàn)略實施。